El aceite vegetal como dieléctrico: Una solución rentable y ecológica.

Los aceites vegetales ofrecen varias ventajas, incluyendo que son biodegradables, su alta temperatura de ignición, alta conductividad térmica, bajo valor calorífico y alta estabilidad de temperatura. Consecuentemente, los aceites vegetales ofrecen una mejor relación Costo-Beneficio que los aceites minerales.

Laboratorista en un laboratorio preparando el ensayo de tensión interfacial.

Imagen cortesía de www.jorpa-ingenieria.com

Existen varias motivaciones para el uso de fluidos dieléctricos en base de aceites vegetales y sintéticos como reemplazo del aceite mineral en Transformadores. Los aceites vegetales tienen una gran conductividad térmica, mayor que la del aceite mineral y por ello están mejor adecuados para la regulación de la temperatura del transformador. El Punto de ignición y Punto de fuego son significativamente altos para los aceites vegetales en comparación con el aceite mineral. La Fire Safety Class, otra medida del punto de fuego, para los aceites vegetales es clase K, mientras que para los aceites minerales es clase O. Los aceites vegetales entonces pueden mitigar la seguridad de fuego y las preocupaciones de los aseguradores, particularmente en situaciones en donde distancias y dimensiones son pequeñas. Los aceites vegetales tienen un menor valor calorífico que los Aceites Minerales, entonces en el evento de fuego, los aceites vegetales proveen menor energía por unidad de peso que los aceites minerales. Adicionalmente, la combustión de los aceites vegetales no produce agentes tóxicos o elementos no biodegradables.

Los aceites vegetales, naturales y sintéticos tienen una estabilidad de temperatura mayor que los aceites minerales, significando esto que pueden estar expuestos a altas temperaturas por largos periodos con menor degradación que la que ocurriría en los Aceites Minerales.

Aceites vegetales Dieléctricos.

Los aceites son líquidos dieléctricos refrigerantes para el uso en Transformadores de distribución y potencia. Ellos pueden ser naturales o sintéticos, derivados de aceites de semillas o elementos inorgánicos. Debido a que según el fabricante, las especificaciones son confidenciales, estos fluidos dieléctricos son compuestos biodegradables combinados con un pequeño porcentaje de aditivos para mejoras de su funcionamiento.

Figura No.1. Comparación Variable Rigidez Dieléctrica.

Los ésteres son una clase de compuestos químicos derivados de la condensación de un ácido inorgánico y otro orgánico con un alcohol. La creación de Esteres envuelve el reemplazo de al menos un grupo hydroxyl (-OH) del ácido por un grupo alcoxy (-O-alkyl). Por ejemplo, aceites que ocurren naturalmente son esteres de grasas orgánicas y glicerina.

Los aceites vegetales tienen un excelente récord de seguridad y fuego a través de diez años y más de 45000 instalaciones. Los Aceites vegetales tienen un punto de ignición ISO 2719 de 330°C y un punto de fuego ISO 2592 de 360°C Versus 160-180°C del aceite mineral.

Los aceites vegetales no sostendrán una flama si no hay una fuente de alta energía para la ignición. Por ello, las distancias de seguridad son reducidas y la necesidad de sistemas de mitigación de fuego y sistemas de diluvio son reducidos. Los productos de la combustión de aceites vegetales son agua, dióxido de carbono y monóxido de carbono los cuales son menos tóxicos que el carbón, nitrógeno y óxidos sulfúricos producidos por el fuego de aceite mineral.

Figura No.2. Clasificación y Propiedades de los Fluidos Dieléctricos para Transformadores.

Los aceites vegetales son miscibles, es decir mezclables totalmente Homogéneo con aceite mineral de transformadores. Entonces, rellenar transformadores existentes con aceite mineral con aceites vegetales es una opción. El mezclado de aceites vegetales con aceite mineral convencional de Transformador bajará el punto de ignición y el punto de fuego del aceite éster vegetal.

Beneficios Ambientales.

Los aceites vegetales no contienen petroquímicos, siloxanos o halógenos. Los aceites vegetales provienen de semillas y se derivan de cultivos de semillas agrícolas renovables, como la soya, la colza, el girasol, la canola y el maíz.

Los Aceites vegetales son No Tóxicos de manera oral y acuática y están clasificados como no-cancerígenos en California. Los Aceites vegetales son en última instancia biodegradables con exposición prolongada al medio ambiente mientras que los ésteres sintéticos son fácilmente biodegradables, según lo definido por OCDE 301. [5] Las pruebas EPA OPPTS 835.3100 demuestran la biodegradación completa en 28 días. Este proceso puede ser más rápido dependiendo de la temperatura, fuentes de alimentos o la presencia de agua si es necesario, esta vez, la biodegradación también se puede reducir por la adición de enzimas. Esto significa que los procedimientos de mitigación y limpieza de derrames son menos costosos en comparación con los derrames de aceite mineral. Sin embargo, no cambia los informes y requisitos de limpieza para derrames en cursos de agua.

Funcionamiento del Transformador con Aceite Vegetal (Ester Natural)

El papel de celulosa usado para el aislamiento de las bobinas en los Transformadores aislados en aceite se degrada significativamente más lentamente en presencia de aceites vegetales dieléctricos que en el aceite mineral convencional. El papel envejecido a 170°C en Aceite Ester toma 5-8 veces más tiempo en alcanzar su punto de final de vida útil como está definido en C57.100, en comparación con el papel envejecido en aceite mineral. El papel envejecido a 150°C con aceite mineral alcanza el punto de final de vida útil de manera normal. Sin embargo, el papel envejecido a 150°C con aceite éster vegetal no alcanza el final de vida útil. Se estima que el tiempo de fin de vida útil para un transformador con papel sumergido en aceite éster a 110°C es al menos 2.5 veces más largo que el papel sumergido en aceite mineral. Esta extensión de la vida útil térmica del aislamiento del papel tiene como resultado menos fallas y una mejor confiabilidad de servicio del transformador.

Figura No.3. prueba del envejecimiento relativo acelerado de papel de celulosa.

Relativo al aceite mineral, El aceite éster es muy absorbente del agua y remueve la humedad del papel de aislamiento utilizado en transformadores. La humedad es generada en los transformadores por el papel de celulosa, que se envejece a altas temperaturas. Así como el contenido de humedad en el aislamiento aumenta, la rigidez dieléctrica disminuye. Debido a que los aceites vegetales pueden absorber humedad en gran cantidad en comparación con el aceite mineral, la humedad migrara del papel al aceite éster vegetal.

Los fluidos dieléctricos dentro de un transformador deben tener una adecuada estabilidad oxidación para ofrecer un enfriamiento eficiente y también mantener buenas características eléctricas durante la vida útil. Los productos secundarios de la oxidación del aceite mineral pueden precipitar como barro y eventualmente reducir la capacidad de enfriamiento del transformador y sus características dieléctricas.

Figura No.4. Aceite éster natural, hidrocarbono de alto peso molecular y aceite mineral después de un envejecimiento por temperatura. Partículas mostradas en papel filtro.

Los transformadores pueden ser instalados con capacidades reducidas cuando se utilizan aceites vegetales. En otras palabras, donde había un transformador de 50kVA históricamente, uno de 37.5kVA puede ser instalado. Incrementos de la capacidad de placa cuando los transformadores son llenados con aceite ester natural, permitiendo que los Transformadores puedan funcionar a más altas temperaturas cuando están llenos de aceite éster natural están reconocidos por IEEE C57.154. Por ejemplo un transformador lleno con aceite mineral dieléctrico convencional tiene una temperatura tope de aceite de no más de 65°C por encima de la temperatura ambiente. Si es llenado con aceite éster natural, IEEE C57.154 permite que el mismo transformador pueda ser más cargado, de forma tal que la temperatura tope de aceite sea de 75°C por encima de la temperatura ambiente, permitiendo un incremento porcentual de la capacidad del transformador.

Ciclo de vida y comparaciones de costos.

El uso de aceites dieléctricos ésteres naturales y aceites dieléctricos ésteres Sintéticos resultan en un incremento en la vida del transformador. Un estimado conservativo, es anticipado que los nuevos transformadores experimentaran una extensión de la vida útil del 33% si son llenados con aceites dieléctricos ésteres. Una unidad llenada con aceite mineral convencional de Transformador requerirá reemplazo en 30 años aproximadamente, mientras que uno idéntico lleno con aceite éster natural, requerirá reemplazo en 40 años.

Sin embargo, los fabricantes de transformadores indican que unidades llenadas de aceites vegetales tienen un precio de 5%-10% más elevado, dependiendo del diseño y cantidades. Sin embargo, el incremento de la vida útil de 30 años a 40 años produce ahorros definitivos de entre un 17%-22% aproximadamente.

Figura No.5. Propiedades físicas de los fluídos aislantes para transformadores.

Algunos puntos en contra

Debido a que los aceites dieléctricos Vegetales tienen una mayor viscosidad, que afecta la velocidad del refrigerante a través de la parte activa del transformador y en consecuencia, puede afectar el rendimiento general de transferencia de calor. Este aspecto debe efectivamente controlado en la etapa de diseño del equipo a través de una elección óptima de la bombas de aceite en el circuito de enfriamiento de aceite forzado.

Otro punto a destacar es que los Aceites vegetales tiene tendencia a la gelificación al contacto con el aire, por tanto deben utilizarse en taques herméticamente sellados para evitar este fenómeno.

Algunos afirman que como en el caso del biodiesel, la producción de aceites vegetales implica la utilización de semillas que podrían utilizarse para consumo humano y por tanto estos productos estarían ocupando tierras productivas con algunos detractores en cuanto a sus fines distintos a la alimentación.

Si bien existen datos y estándares internacionales abundancia de aceites minerales, todavía hay pocas normas IEC que abordan la composición o prueba de los aceites de éster naturales con su diferente composición química. Esta falta de estándares podrían ser vistos como uno de los factores limitantes con respecto a la tasa inicial de implementación de aceites vegetales en los transformadores de potencia

Conclusiones

Los Transformadores con aceite dieléctrico éster vegetal ofrecen a los usuarios y a los sistemas eléctricos en general grandes ventajas en términos de funcionamiento y costos del ciclo de vida sobre el uso del Aceite Mineral convencional. En este reporte se presentaron las ventajas técnicas, ambientales y de costos para el uso de Aceites vegetales y Sintéticos en Transformadores Aislados en Aceite.

Ambas variedades de fluidos dieléctricos están libres de petróleo, siloxanos y halógenos. No son tóxicos, no cancerígenos y completamente biodegradables en unos 28 días aproximadamente. Los aceites vegetales ofrecen un punto de ignición y un punto de fuego que son mucho más elevados que lo del aceite mineral estándar, por lo que los transformadores llenos de aceites vegetales tendrán menores probabilidades de incendio.

El funcionamiento de los transformadores inmersos de aceites vegetales es mejor en comparación con los de aceite mineral. De hecho, la vida útil puede incrementarse en un 33% aproximadamente. La velocidad de envejecimiento del papel aislante se reduce, extendiendo la vida útil de los transformadores de 30 años a 40 años aproximadamente. Los transformadores llenos de aceite vegetal presentan capacidad de Incremento de carga y ausencia de problemas de oxidación, lo cual contribuye a una reducción de costo. Estos ahorros superan el costo inicial del transformador lleno de aceite vegetal que es de un 5-10% superior.

Referencias Bibliográficas

[1] Piñeros, Jorge. Fluidos Esteres. Una Solución Innovadora Para Transformadores de Potencia. ABB. IX Jornadas Tecnicas. Chile. 2015

[2] Perrier, Christophe. Natural Ester Oils: A Promising Solution. Alstom Grid Magazine. USA. 2010

[3] Zimmerman, Nicole and Bass, Robert. Consideration of Ester-Based Oils as Replacement for Transformer Mineral Oil. Portland State University. USA. 2014

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